物理上相關(guān)聯(lián)〃。
[0026] 〃微生物〃或〃微生物體〃可為任何顯微鏡可見的尺寸的有機(jī)體，例如，包括細(xì)菌、真 菌、藻類、古細(xì)菌、原生生物、浮游生物等。微生物可為單細(xì)胞或多細(xì)胞的。
[0027] 與陽極物理上相關(guān)聯(lián)的微生物以酶的方式從流入物中的有機(jī)成分中獲取電子且 將電子傳遞至陽極電極。電子形式的能量遠(yuǎn)離微生物的移動導(dǎo)致促進(jìn)的微生物代謝且加強 了流入物的治理。輸送至陰極電極的電子可用作能量源，能量源用于物理上與陰極相關(guān)聯(lián) 的獨特的微生物群體。可通過穿過回路輸送的這些能量源來限制陰極上的細(xì)菌生長。
[0028] 電極可填充有或灌注有適合的微生物群落?？墒褂闷鹗既郝淅缫吧愋?親生） 群落（即，自然地存在于流入物中）或人工微生物庫?？赏ㄟ^向反應(yīng)器注入待使用的流入物 且保持一定周期來選擇和建立局部群落來獲得停留群落。在陽極處，微生物生成電子，電子 被傳遞至陽極電極。陰極可包括微生物群體，在微生物群體處，在適合的氧化劑減少期間使 用包括質(zhì)子的陽離子和電子。因此，陰極可與微生物群體相關(guān)聯(lián)來用于消耗陽離子和/或非 生物催化劑，如金屬(例如，鉑、碳化鎢、氧化鈷)或基于碳或石墨的介質(zhì)，以便于從反應(yīng)器除 去質(zhì)子和其它陽離子，優(yōu)選作為可用的最終產(chǎn)物，如水。例如，非生物催化劑包括用薄層涂 布基底材料，薄層為鎢-碳化物-鈷、鈦、氧化錳(IV)、鉬、鎢或它們的組合的薄層。不同的涂 布技術(shù)還可便于用于氧的非生物減少的較高催化表面面積。
[0029] 例如，陽極相關(guān)聯(lián)的微生物群體可為了能夠在厭氧環(huán)境中生長的微生物而富集， 使用多種碳源來用于能量，作為電極上的生物膜生長和/或?qū)㈦娮觽鬟f至電極。與陰極物理 上相關(guān)聯(lián)的微生物群體可為了微生物而富集，這些微生物具有改善其作為MFC中陰極相關(guān) 聯(lián)的微生物群體的能力的特征。例如，陰極相關(guān)聯(lián)的微生物群體可為了能夠在需氧環(huán)境中 生長的微生物而富集，使用從陰極獲得電子來用于能量，且/或作為生物膜在電極上生長。
[0030] 〃電極〃表示導(dǎo)體，電流可經(jīng)由導(dǎo)體進(jìn)入或離開金屬介質(zhì)。在MFC中使用的電極可包 括允許微生物附著的任何傳導(dǎo)材料。電極可完全由用于傳導(dǎo)電子的材料制成，或可包含用 于傳導(dǎo)質(zhì)子的材料。適合的材料的實例包括金屬、金屬化合物、非金屬或它們的組合。金屬 的實例包括鈦、鉑和金;金屬化合物的實例包括氧化鈷、氧化釕、碳化鎢、鎢-碳化物-鈷;不 銹鋼;或它們的組合。非金屬的實例包括石墨、摻雜石墨的陶瓷和傳導(dǎo)性聚合物，如聚苯胺。 電極可為固體、合成物或混合物，如顆粒的收集器，顆粒的收集器使用例如有助于聚集和固 定顆粒的材料(如，粘著劑、膠、粘合劑或連結(jié)劑)被壓成或形成相關(guān)的形狀?？赏ㄟ^保持材 料(例如，保持器件），如紙張、膜、篩網(wǎng)、篩子、格柵等來將顆粒保持為相關(guān)的形狀或形式。保 持材料可包括金屬，例如，鈦，而電極材料例如可為石墨粒子、大孔氣凝膠、石墨纖維刷、石 墨多孔板、石墨多孔球、石墨織造纖維、石墨毯、石墨布或不同的傳導(dǎo)性大表面面積顆粒的 組合。當(dāng)使用顆粒時，顆?？蔀槿魏涡螤詈腿魏纬叽?，例如，渣塊、結(jié)、纖維或小球，顆?？蔀?規(guī)則的形狀，如球形、橢圓體或晶體，或無規(guī)則的形狀，且可為變化的尺寸。例如，用于保持 材料的其它適合材料為包括金屬或金屬合成物(如，不銹鋼、鈦或高密度聚乙烯）的篩子或 布。
[0031] 保持材料可向電極材料提供待處理的流入物的通路。因此，空隙可存在于保持材 料中。如果存在的話，空隙可為將不允許電極材料通過而同時允許陽離子和其它材料往返 于電極或電極材料流動的尺寸。
[0032] 電極可包括多層的保持材料，如填充有或交織有傳導(dǎo)材料的金屬篩網(wǎng)。例如，電極 可設(shè)計成包括層，例如，其具有保持材料的多層或多頁，且包含在保持器件的相鄰層之間的 為傳導(dǎo)材料(如，粒子)的層，導(dǎo)致保持器件和傳導(dǎo)材料的交替的層。此種構(gòu)造增大了電極尺 寸和表面面積。此種構(gòu)造還便于在電極內(nèi)發(fā)展出生物化學(xué)梯度。電極可具有柱形狀，例如， 電極具有保持材料的至少兩層、至少兩頁、至少兩個褶層。保持材料的獨立層可以固定距離 分開，例如，如大約0.5cm、大約0.75cm、大約lcm、大約1.25cm。保持材料的相鄰層之間的空 隙可填充有電極材料，如傳導(dǎo)材料，如用以增大表面面積的多個粒子或多孔粒子，例如，粒 子可為長方形、圓形或橢圓形的形狀，其中的直徑范圍例如沿軸線或較長軸線從大約2_至 沿較長軸線的大約5mm。例如，保持材料可根據(jù)傳導(dǎo)片、膜、柵格或篩網(wǎng)構(gòu)造，例如，保持材料 可由非傳導(dǎo)塑料、金屬或其它傳導(dǎo)材料(如，鈦或不銹鋼)構(gòu)成。在陰極中，層或多層可加強 質(zhì)子流，這繼而又加強還原反應(yīng)。
[0033] 陽極類似于具有一種結(jié)構(gòu)的填充床反應(yīng)器，陽極例如由多孔石墨粒子構(gòu)成，例如， 石墨粒子具有沿其最長軸線從大約2_至大約5_的范圍內(nèi)的直徑，且使用聚集器件或固定 器件(如，膠、粘著劑、粘合劑或連結(jié)劑)或通過保持材料(如柵格或篩網(wǎng)）來在結(jié)構(gòu)上保持和 定形。保持材料可由非傳導(dǎo)材料如塑料，或金屬或其它傳導(dǎo)材料如鈦制成。例如，鈦為傳導(dǎo) 性的、抗腐蝕、耐用的且具有補充微生物作用的固有催化性質(zhì)。因此，例如，保持材料可為織 造的鈦材料，其便于在陽極隔間與陰極隔間之間交換離子的徑向物質(zhì)傳遞。不銹鋼或其它 復(fù)合金屬篩網(wǎng)可用于填充床型電極構(gòu)造。碳化鎢或氧化鈷用作用于陽極的成本效益合算的 非生物催化器件。
[0034] 陰極表面面積與陽極表面面積的比可構(gòu)造成相同或不同。例如，陰極可構(gòu)造成較 大的，或具有比陽極中更大的表面面積。例如，陰極表面面積與陽極表面面積的比可為至少 大約1:1、大約1.25:1、大約1.5 : 1、大約1.75 : 1、大約2: 1、大約2.25 : 1、大約2.5:1、 大約2.75: 1、大約3: 1、大約3.25: 1、大約3.5: 1、大約3.75: 1、大約4: 1、大約4.25 : 1、大約4.5: 1、大約4.75 : 1或大約5:1。
[0035] 可通過操作參數(shù)來確定電極尺寸和形狀。例如，電極的尺寸和形狀可確定為用以 增大表面面積與體積的比，例如，通過增大多孔性、增加表面粗糙度或改變給定傳導(dǎo)材料的 外形。例如，這可通過施加涂層、限定制造工序、減小顆粒尺寸和/或調(diào)整篩網(wǎng)尺寸來實現(xiàn)。
[0036] 表面面積可部分地取決于所期望的停留時間、流入物的廢流和流動動力。例如，不 應(yīng)當(dāng)將顆粒電極材料填充得過于致密，因為這將增加停留時間，從而降低效率。此外，應(yīng)當(dāng) 將電極設(shè)計成用以便于良好的傳導(dǎo)性。
[0037]適合的空隙容積(與電極的填充床結(jié)構(gòu)或復(fù)合結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的接觸傳導(dǎo)顆粒之間的 空間）可選擇成用以允許材料、固體顆粒和流體通過，以及用以減少電極更換/維護(hù)的需要。 如果傳導(dǎo)顆粒之間的空隙容積很大，則系統(tǒng)的內(nèi)部電阻增大，從而導(dǎo)致電極處的氧化還原 反應(yīng)的減小。
[0038]同樣，陽極可為多層構(gòu)造，使用了本文所述的材料，同時保持厭氧狀態(tài)。因此，陽極 可包括保持材料(如，上文所述的那些)和傳導(dǎo)材料的交替層，其中最內(nèi)層和最外層包括保 持材料。
[0039]電極的構(gòu)造為用以優(yōu)化反應(yīng)條件的設(shè)計選擇。MFC可包括交替的電極板、交替的電 極片和/或交替的電極頁；單個陽極和單個陰極，各個電極均可為任何形狀，例如，桿、柱、 筒、條和/或片;相等數(shù)目的多個陽極和多個陰極;不等數(shù)目的一個或多個陽極和一個或多 個陰極；中心陽極，其具有包括反應(yīng)器的內(nèi)部側(cè)壁或附接為平行于內(nèi)部側(cè)壁延伸的層的陰 極（"周向"電極）；中心陰極，其具有包括反應(yīng)器的側(cè)壁或附接為平行于側(cè)壁延伸的層的陽 極;具有周向陰極的多個中心陽極;或具有周向陽極的多個中心陰極。電極可沿任何方向定 向，例如，如水平地、垂直地或徑向地。如本文使用的陽極除非上下文這樣指出，則可代表單 個陽極或多個陽極，而陰極可代表單個陰極或多個陰極。
[0040] 陽極與陰極之間的間距選擇成用以優(yōu)化操作參數(shù)，例如，如質(zhì)子傳遞。氧到陽極的 任何泄漏都可中斷陽極或陽極隔間中的電子傳遞;加強陽極處生物質(zhì)生長;減少電力產(chǎn)生； 和/或減少能量回收。因此，可優(yōu)化間距來最大限度地減小氧傳遞同時保持質(zhì)子傳遞。
[0041] 間距可例如使得陽極和陰極離子接觸，但消除了電性連接。此種構(gòu)造防止短路，且 優(yōu)化了離子(例如，質(zhì)子)傳導(dǎo)性，使得物質(zhì)輸送不會變成受比率限制。通過優(yōu)化陽極與陰極 之間的間距，可優(yōu)化電流流動，導(dǎo)致氧化速率和還原速率的提高。優(yōu)化陽離子傳遞的特征包 括陰極電極與陽極電極之間的最小距離、溶液傳導(dǎo)性和濃度梯度。溶液傳導(dǎo)性（離子傳導(dǎo) 性）和濃度梯度(pH和/或氣相）也沖擊質(zhì)子從陽極到陰極的移動。如果陽極環(huán)境為富質(zhì)子 的，而陰極環(huán)境為貧質(zhì)子的，則質(zhì)子將從陽極轉(zhuǎn)移至陰極，直到達(dá)到平衡。質(zhì)子必須傳播的 距離越短，就可越快地發(fā)生還原反應(yīng)。陽極可為厭氧的（具有很少氧化劑至沒有氧化劑），而 陰極為需氧的（具有富能量氧化劑）。在此種情況下，質(zhì)子將沿梯度轉(zhuǎn)移來完成還原反應(yīng)。例 如，陽極與陰極之間的距離可為小于3cm、小于2.75cm、小于2.5cm、小于2.25cm、小于2cm、小 于1 · 75cm、小于1 · 5cm、小于1 · 25cm或小于lcm〇
[0042] 可使用電極之間的隔層（例如，分隔器件）。該隔層可由任何非傳導(dǎo)材料制成，例 如，如塑料、陶瓷和/或聚合物(例如，尼龍），且例如可呈現(xiàn)為片、布和/或篩網(wǎng)，以便提供電 極或電極隔間之間的隔層器件。該隔層可允許流體和/或微生物通過。此種隔層不應(yīng)認(rèn)作是 質(zhì)子選擇材料。此種隔層可最大限度地增大質(zhì)子傳遞和/或減小交叉流入物、氧化劑和/或 其它反應(yīng)物。分隔器件可為微對生物和流體可滲透的多孔片或篩網(wǎng)。然而，在一些實施例 中，可使用質(zhì)子選擇材料，如陽離子交換膜，但質(zhì)子選擇材料是昂貴的。
[0043] 在一些實施例中，電極之間的隔層包括多孔絕緣材料，多孔絕緣材料防止MFC的短 路，同時允許質(zhì)子、微生物和